KR102039381B1 - 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치 - Google Patents

주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 일반인도 용이하게 착용하고 운동할 수 있는 휴대용 장비를 사용하여 주행 및 보행 시 발생되는 좌우 불균형을 용이하고 효과적으로 정량화하여 평가하는, 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치를 제공함에 있다.

Description

주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치 {Method and apparatus for evaluating imbalance during running and walking}
본 발명은 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주행 및 보행 시 양쪽 발 간의 불균형 비교를 통해 좌우 불균형을 평가하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 현대인의 일상생활에서의 운동량은 적절한 신체 건강을 유지하기에 상당히 부족하다는 점이 꾸준히 지적되어 왔으며, 이에 따라 효과적으로 건강을 촉진할 수 있도록 하는 체계적인 운동 방법에 대한 관심도가 유례없이 높아지고 있다. 이러한 요구에 부합하는 운동 방법 중 하나로서, 누구나 쉽게 할 수 있는 보행 또는 주행 운동이 있다.
한편 사람의 신체는 대부분 생활습관이나 타고난 상태 등에 의하여 좌우 균형이 완전하게 맞지 않는 경우가 많다. 손의 사용에 있어서도 오른손잡이/왼손잡이/양손잡이로 나뉘는 것과 마찬가지로, 발의 사용에 있어서도 오른발잡이/왼발잡이 등 주로 사용하는 발이 사람마다 상이하다는 것이 잘 알려져 있다. 어느 한쪽 발을 주로 사용할 경우, 주로 사용하는 쪽의 발, 다리 근육 등이 좀더 강화되기도 하지만, 관절이 더욱 상하는 등의 문제가 누적되기도 한다. 주행 및 보행 시 좌우 불균형이란 이처럼 신체적인 불균형 등의 문제로 인하여 걸음에서의 좌우 양쪽 발 간의 균형이 어그러지는 정도를 말한다. 이처럼 주행 및 보행 시 좌우 양쪽 발 간의 불균형 은, 운동을 할수록 건강 증진의 선영향보다는 부상 누적의 악영향을 초래할 수 있는 문제가 있다. 예를 들어 오른발잡이로서 무의식적으로 오른발을 좀더 강하게 딛는 보행 습관이 있는 사람의 경우, 계단을 오르내리거나 조깅 등을 할 때에도 오른발을 계속 더 강하게 딛음으로써 충격이 누적되어 오른쪽 무릎 관절이 더욱 빨리 상하는 등의 문제가 발생하는 것이다.
전문적인 운동선수 트레이닝 센터 등과 같은 곳의 경우 좌우 불균형의 정도를 측정하는 특수 장비가 구비되는 경우도 있겠으나, 실제로 이러한 곳에서조차 왼쪽/오른쪽 근력을 측정하여 좌우 불균형도를 측정하는 정도에 불과한 경우가 많다. 즉 전문가 집단에서조차도 걸음마다의 좌우 불균형을 정량적으로 측정하여 진단하는 수준까지의 장비가 갖추어지지 않은 경우가 많으며, 더욱이 일반인의 경우에는 이러한 문제를 정확하게 측정하는 것이 거의 불가능하다.
이러한 좌우 불균형 문제를 얼마간 해소하기 위한 기술로서, 한국특허공개 제2008-0026235호("근접분리된 좌우 런닝벨트를 가진 듀얼벨트 런닝머신 및 이의 제어방법", 2008.03.25)와 같은 기술이 개시된 바 있다. 그러나 상기 선행문헌에 의한 런닝머신은, 양쪽 발에 걸리는 체중을 미리 계량하여 '신체균형지수'를 산출한 후 이를 바탕으로 좌우 런닝벨트의 속도를 따로 제어하는 정도에 그치는 것으로, 상술한 바와 같이 좌우 불균형 정도를 정량화하여 측정하는 것은 여전히 불가능하다.
1. 한국특허공개 제2008-0026235호("근접분리된 좌우 런닝벨트를 가진 듀얼벨트 런닝머신 및 이의 제어방법", 2008.03.25)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일반인도 용이하게 착용하고 운동할 수 있는 휴대용 장비를 사용하여 주행 및 보행 시 발생되는 좌우 불균형을 용이하고 효과적으로 정량화하여 평가하는, 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법은, 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부(110)를 이용한 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법에 있어서, 상기 센서 신호 수집부(110)에서 측정된 상하 방향 가속도(az)를 수집하는 데이터 수집 단계; 상하 방향 가속도(az) 그래프의 패턴으로부터 보행인지 또는 주행인지를 판단하는 운동 종류 판단 단계; 상하 방향 가속도(az)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하는 판단지표 도출 단계; 좌측 또는 우측 발 중 선택되는 어느 하나의 발이 지면에 착지하는 순간부터 다른 하나의 발이 지면에 착지하는 순간까지를 1걸음이라 할 때, 1걸음에 1주기씩의 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도(az) 데이터에 대하여 적어도 2주기 이상의 데이터를 사용하여, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단함으로써 좌우 불균형 정도를 평가하는 좌우 불균형 판단 단계; 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도 중 적어도 하나가 각각 미리 결정된 기준보다 클 경우, 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 부상 위험성 경보 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 좌우 불균형 판단 단계는, 적어도 1개의 연속된 2걸음에 대하여, 좌측 발에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표 및 우측 발에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표를 비교하여 산출된 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단함으로써 좌우 불균형 정도를 평가하도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 좌우 불균형 판단 단계는, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도를 판단함에 있어, 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차를 사용하도록 이루어질 수 있다. 이 때 상기 좌우 불균형 판단 단계는, 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차가 복수 개일 경우, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도를 판단함에 있어, 미리 결정된 가중치 및 상기 가중치에 해당하는 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차의 곱들의 합을 사용하도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 좌우 불균형 판단지표는, 운동 종류가 주행일 경우, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도(az) 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 상하 방향 가속도(az)의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
이 때 상기 좌우 불균형 판단지표는, 상하 방향 가속도(az)의 최대값일 수 있다.
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 발이 지면에 착지하는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지를 스탠스 시간이라 할 때, 스탠스 시간 동안의 충격량으로서, 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.
Figure 112017076828058-pat00001
(여기에서, az : 상하 방향 가속도, m : 사용자 질량)
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 발이 지면에 착지하는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지를 스탠스 시간이라 할 때, 스탠스 시간일 수 있다.
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 발이 지면에서 떨어지는 순간부터 발이 지면에 착지하는 순간까지를 플라이트 시간이라 할 때, 플라이트 시간일 수 있다.
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 충격 시간 동안의 평균 수직 부하율로서,
충격 시간 동안의 평균 수직 부하율은 사용자 질량 및 충격 시간 동안의 평균 기울기의 곱으로서 산출되며, 충격 시간 동안의 평균 기울기 값은 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.
Figure 112017076828058-pat00002
Figure 112017076828058-pat00003
(여기에서, az : 상하 방향 가속도, mean : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, ti : i번째 시간, ti-1 : i-1번째 시간, tc : 충격 시작 시간, tm : 충격 끝 시간)
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 충격 시간 동안의 최대 수직 부하율로서,
충격 시간 동안의 최대 수직 부하율은 사용자 질량 및 충격 시간 동안의 최대 기울기의 곱으로서 산출되며, 충격 시간 동안의 최대 기울기 값은 하기의 식을 사용하여 산출될 수 있다.
Figure 112017076828058-pat00004
Figure 112017076828058-pat00005
(여기에서, az : 상하 방향 가속도, max : 최대값 산출 함수, i : 인덱스 번호, ti : i번째 시간, ti-1 : i-1번째 시간, tc : 충격 시작 시간, tm : 충격 끝 시간)
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 운동 종류가 보행일 경우, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도(az) 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도(az)의 최소값 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
이 때 상기 좌우 불균형 판단지표는, 1걸음 시간 길이일 수 있다.
또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 상하 방향 가속도(az)의 최소값일 수 있다.
또한 상기 좌우 불균형 평가 방법은, 상기 판단지표 도출 단계 이전에, 상하 방향 가속도(az)를 미리 결정된 밴드 패스 필터를 통과시켜 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치(100)는, 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부(110); 상기 센서 신호 수집부(110)로부터 신호를 전달받아, 상하 방향 가속도(az)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하고, 상기 좌우 불균형 판단지표를 사용하여 경보 발생 여부를 판단 및 제어하는 제어부(120); 상기 제어부(120)로부터 경보 발생 제어 신호를 받아 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 경보부(130); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 제어부(120)는, 운동 종류가 주행일 경우, 상기 좌우 불균형 판단지표로서, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도(az) 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 상하 방향 가속도(az)의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 선택되는 적어도 하나를 도출하도록 이루어질 수 있다. 또는 상기 제어부는, 운동 종류가 보행일 경우, 상기 좌우 불균형 판단지표로서, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도의 최소값 중 선택되는 적어도 하나를 도출하도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 경보부(130)는, 음향, 도해, 영상을 포함하는 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력하도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 좌우 불균형 평가 장치(100)는, 부상 위험성 경보 발생 시점 및 해당 시점에서의 좌우 불균형 판단지표 값을 포함하는 부상 위험성 데이터를 외부의 데이터베이스(140)에 전송하여 누적적으로 저장하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 간편하게 휴대가 가능하며 또한 머리, 허리 등과 같은 신체에 용이하게 착용할 수 있는 장비를 사용하여, 일반인이 스스로 주행 및 보행 시 좌우 불균형을 매우 용이하게 측정할 수 있다는 큰 효과가 있다. 특히 현대와 같이 대다수의 일반인들이 건강을 위한 운동을 하면서 자가 진단이 필요한 상황에서, 전문 관리 기관 등을 이용하지 않아도 스스로 이러한 주행 및 보행 시 좌우 불균형을 측정할 수 있다는 점에서, 일반인의 건강 증진에 있어 비약적인 편의성 및 경제성 향상 효과가 있다.
또한 장치 구성적인 측면에서, 본 발명에 의하면 가속도 센서와 같이 사용자의 동적 물리량을 측정하는 센서만을 이용할 수 있다는 큰 장점이 있다. 즉 기존에는 사용자의 발에 의해 눌림으로써 보행을 인지하는 압력 센서를 이용함으로써 장치 내구도 및 수명 저하 문제, 사용자 신체 치수에 따른 별도 장치 생산 및 사용 문제 등의 여러 문제들이 있었다. 그러나 본 발명의 경우 이러한 문제의 원인인 압력 센서를 발 부분에 배치한다는 기술 구성 자체가 완전히 배제되기 때문에, 상술한 바와 같은 여러 문제들이 원천적으로 제거되는 것이다. 물론 이로부터 사용자 편의성 향상, 사용자 또는 생산자 각각에서의 경제성 향상 등과 같은 효과 또한 얻을 수 있음은 당연하다.
도 1은 본 발명의 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치의 실시예.
도 2는 본 발명의 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법의 흐름도.
도 4는 주행 및 보행 시 상하 방향 가속도 그래프.
도 5는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프.
도 6은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 최대값을 표시한 도면.
도 7은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 스탠스 시간 동안의 충격량을 표시한 도면.
도 8은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 스탠스 시간 및 플라이트 시간을 표시한 도면.
도 9는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 기울기를 표시한 도면.
도 10은 보행 시 상하 방향 가속도 그래프.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
좌우 불균형 평가 장치
도 1은 본 발명의 좌우 불균형 평가 장치의 실시예를, 도 2는 본 발명의 좌우 불균형 평가 장치의 개략도를 각각 도시하고 있다. 먼저 도 1, 2를 통해 본 발명의 좌우 불균형 평가 장치의 구성을 간략히 설명하고, 이후 이러한 좌우 불균형 평가 장치를 이용한 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법 및 장치에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 좌우 불균형 평가 장치(100)를 간략히 설명하자면 주행 및 보행 시 보행의 균일한 정도를 평가하여, 보행이 불균일해짐에 따라 발생할 수 있는 부상 위험성을 사용자에게 알려주는 장치이다. 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 주행 및 보행 시, 생활습관이나 타고난 상태 등에 의하여 좌우 균형이 완전하게 맞지 않음으로써 좌우 양쪽 발 간의 불균형이 발생할 수 있다(좌우 불균형 문제).
이러한 좌우 불균형 문제는 결과적으로 자세의 불량함을 가중시키고, 나아가 발목, 무릎, 허리 등에 무리를 초래하여 이것이 부상으로 이어질 위험이 있다는 문제가 잘 알려져 있다. 그러나 종래에는 운동선수 전문 양성기관에서조차 실시간으로 좌우 불균형을 측정하고 평가하는 것이 어려워, 이러한 좌우 불균형에 따라 얼마나 부상 위험성이 발생하는지 알 수 있는 정확한 지표가 없었던 실정이다. 본 발명에서는, 이러한 좌우 불균형을 판단지표로서 정량화하여 평가하고, 이를 이용하여 부상 위험성이 어느 수준 이상으로 올라가면 사용자에게 경보로서 위험 정도를 알려 주도록 한다. 이를 통해 사용자는 부상이 발생하기 전에 적절히 보행 또는 주행을 멈추거나, 자세를 교정하거나, 운동화를 교체하거나, 보행 또는 주행 코스를 변경하는 등과 같은 대처를 할 수 있게 되어, 궁극적으로 주행 및 보행 시 발생하는 부상 위험성을 크게 저감할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 좌우 불균형 평가 장치(100)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 센서 신호 수집부(110), 제어부(120), 경보부(130)를 포함하여 이루어진다. 더불어, 상기 좌우 불균형 평가 장치(100)는 데이터베이스(140)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 센서 신호 수집부(110)는, 기본적으로 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용된다. 상기 센서 신호 수집부(110)는 단일 개여도 무방하고 또는 복수 개여도 무방하다. 도 1에는 상기 센서 신호 수집부(110)가 2개로 형성되어 사용자의 머리 및 허리 각각에 착용되는 예시를 도시하고 있으며, 이 경우 사용자의 머리측에 착용되는 센서 신호 수집부를 머리측 센서 신호 수집부(110H), 사용자의 허리측에 착용되는 센서 신호 수집부를 허리측 센서 신호 수집부(110W)로 구분할 수 있다. 착용 상태의 구체적인 예시로서, 도 1의 개략도에 나타나는 바와 같이, 머리측에 착용되는 머리측 센서 신호 수집부(110H)는 이어폰과 같이 귀에 꽂는 형태로 이루어지고, 허리측에 착용되는 허리측 센서 신호 수집부(110W)는 벨트에 꽂는 형태로 이루어질 수 있다. 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 머리측 센서 신호 수집부(110H)가 헤어밴드 형태, 안경 형태, 별도의 모자에 꽂아 부착하는 형태, 헬멧 형태 등 다양하게 변경 실시될 수 있음은 당연하다. 또한 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 센서 신호 수집부(110)는 사용자의 팔을 제외한 상체 어디에든 착용될 수 있는데, 예를 들어 가슴 부위에 착용되도록 할 경우 의복의 가슴주머니에 수용되거나 꽂아 부착하는 형태, 별도의 조끼나 하네스 등을 이용하여 착용하는 형태 등과 같은 다양한 변경 실시가 가능하다.
상기 센서 신호 수집부(110)에는 상술한 바와 같이 기본적으로 상기 가속도 센서(111)가 포함된다. 상기 가속도 센서(111)는 자이로스코프를 내장하는 형태 등과 같이 일반적으로 3축 방향의 가속도를 측정하는 데 사용되는 센서들 중 적절한 것을 선택하여 채용할 수 있다. 한편 상기 센서 신호 수집부(110)에, 상기 가속도 센서(111)에서 수집된 가속도 데이터 신호를 사용하여 계산을 수행하고 제어하는 등의 역할을 하는 상기 제어부(120)가 직접 구비되도록 할 수도 있다. 또는 상기 제어부(120)는 기존에 사용되는 스마트폰에 앱 형태로 구현되게 할 수 있는 등 다양한 변경 실시가 가능하다. 즉 이처럼 상기 제어부(120)가 상기 센서 신호 수집부(110)와 별도의 장치로 구현되게 될 경우, 상기 가속도 센서(111)에서 수집됩 가속도 데이터 신호가 상기 제어부(120)로 원활하게 전달될 수 있도록, 상기 센서 신호 수집부(110)는 통신부(112)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 신호 전달은 와이어링을 통한 유선 통신에 의하여 이루어질 수도 있고, 블루투스, 와이파이, NFC 등과 같은 무선 통신에 의하여 이루어질 수 있는 등, 필요되는 조건이나 요구되는 성능에 따라 적절한 형태를 선택하여 채용할 수 있다.
이후 본 발명의 좌우 불균형 평가 방법의 설명에서 보다 상세히 설명되겠지만, 본 발명에서는 좌우 불균형을 평가함에 있어서 상하 방향 가속도를 사용한다. 종래에 주행과 관련하여 사용자의 운동 상태를 측정하는 대부분의 장치들은, 직접적으로 발로 눌러지는 부분인 신발, 발판 등에 구비되는 압력 센서를 사용하였으며, 이에 따라 센서의 손상이 빨리 일어나 장치 내구도 및 수명이 짧아지는 문제가 있었다. 물론 이는 사용 중 장치 손상으로 인한 보행 인식 및 분석 정확성의 저하, 잦은 장치 교체로 인한 편의성 및 경제성 저하 등의 문제를 유발시킨다. 더불어 이러한 장치가 신발에 구비되는 경우 사용자의 발 크기에 따라 사용자마다 각각 별도의 장치가 필요하게 되어, 사용자의 편의성 및 경제성 저하가 가중되며, 생산자에게는 크기별 별도 생산을 해야만 하여 역시 경제적 부담을 발생시키는 등의 문제가 있었다.
그러나 본 발명에서는 보행 또는 주행과 관련된 운동을 인식함에 있어서 발로 눌리는 압력을 사용한다는 개념을 완전히 탈피하여, 도 1에 도시된 바와 같이 사용자의 팔을 제외한 상체에서 측정되는 가속도를 사용한다. 이처럼 본 발명은 종래기술과는 측정 위치가 전혀 상이하고(종래기술 : 발 / 본 발명: 팔을 제외한 상체), 측정 물리량도 전혀 상이하다(종래기술 : 압력 / 본 발명 : 가속도와 같은 동적 물리량). 이 때 앞서 종래기술에서 지적된 여러 문제점들의 근본적인 원인은 '압력 센서를 발 부분에 배치한다'는 기술 구성에서 오는 것인바, 본 발명에 의하면 그 구성만으로서 상술한 바와 같은 여러 문제들이 원천적으로 제거될 수 있게 된다.
또한 본 발명에서는 좌우 불균형의 정량화를 위해 상하 방향 가속도를 사용한다. 일반적으로 주행이 이루어질 때, 상대적으로 머리에서의 좌우 움직임과 사용자 신체의 질량 중심의 좌우 움직임이 보다 유사하게 나타나고, 또한 상대적으로 허리에서의 전후 움직임과 사용자 신체의 질량 중심의 전후 움직임이 보다 유사하게 나타난다. 더불어 상하 움직임은 머리에서 허리까지를 포함한 상체 및 질량 중심 모두에서 유사하게 나타난다. 다만 상체 중에서 팔 부분은, 질량 중심의 움직임 외에도 전후 방향으로 흔들리는 별도의 움직임을 하기 때문에 팔은 제외된다. 이러한 점을 고려할 때, 상하 방향의 가속도는 팔을 제외한 상체 중 어디에서 측정하도록 하여도 무방하다. 부연하자면, 상하 방향의 가속도는 팔을 제외한 상체 어디에서 측정하여도 상당히 정확하게 잘 나타나므로, 머리측이나 허리측 둘 중 하나에서 측정된 값을 선택적으로 사용하여도 되고, 또는 양측에서 측정된 값들의 평균값을 사용하여도 되는 등 적절하게 선택할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 센서 신호 수집부(110)로부터 신호를 전달받아, 상하 방향 가속도(az)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하고, 상기 좌우 불균형 판단지표를 사용하여 경보 발생 여부를 판단 및 제어하는 역할을 한다. 좀더 구체적으로는, 상기 제어부(120)는 운동 종류가 주행일 경우, 상기 좌우 불균형 판단지표로서, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터(az)에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 상하 방향 가속도(az)의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 선택되는 적어도 하나를 도출하여, 이를 통해 좌우 불균형을 정량화 및 평가하고 부상 위험성 정도를 판별하게 된다. 또는 상기 제어부(120)는 운동 종류가 보행일 경우, 운동 종류가 보행일 경우, 상기 좌우 불균형 판단지표로서, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도의 최소값 중 선택되는 적어도 하나를 도출한다. 상기 제어부(120)에서 수행하는 좌우 불균형 판단지표 도출 등에 대해서는 이후 본 발명의 좌우 불균형 평가 방법을 설명하면서 보다 상세히 설명한다.
상기 제어부(120)의 실제 구현 형태는 필요나 목적에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 즉 구체적인 예를 들자면, 상기 제어부(120)는, 다양한 계산을 수행할 수 있는 집적 회로 형태로 이루어져 상기 센서 신호 수집부(110)와 일체로서 하나의 기판 상에 형성될 수도 있고, 별도의 전용 장치(즉 좌우 불균형 평가 용도로만 만들어진 독립적인 장치)나 별도의 컴퓨터 등과 같은 형태로 이루어질 수도 있으며, 또는 앞서 설명한 바와 같이 기존에 사용되고 있는 스마트폰에 앱 형태로 구현될 수도 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 상기 제어부(120)가 상기 센서 신호 수집부(110)와 일체로 형성되어 있을 경우에는 상기 가속도 센서(111)로부터 직접 신호를 전달받도록 이루어질 수 있다. 한편 상기 제어부(120)가 별도의 장치나 스마트폰 앱 형태로 이루어지는 등과 같이 상기 센서 신호 수집부(110)와 독립적으로 형성되어 있을 경우에는 상기 가속도 센서(111)로부터 유선 또는 무선 통신에 의하여 신호를 전달받도록 이루어질 수 있다.
상기 경보부(130)는, 상기 제어부로부터 경보 발생 제어 신호를 받아 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 역할을 한다. 상기 제어부(120)에서는 상하 방향 가속도(az)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하고 이를 사용하여 경보 발생 여부를 판단하는데, 부상 위험성이 미리 결정된 기준 이상이라고 판단되면 상기 경보부(130)에서 경보를 발생시키도록 제어함으로써 사용자에게 위험을 알리게 된다.
상기 경보부(130)는 음향, 도해, 영상을 포함하는 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력한다. 예를 들자면, 상기 경보부(130)가 음향을 출력하는 스피커 형태로 이루어질 경우 부상 위험성이 기준 이상이면 경고음이 울리게 할 수 있다. 또는 본 발명의 장치가 구글 글래스와 같은 증강현실 안경에 적용될 경우, 상기 경보부(130)는 증강현실 안경 상에 빨간색 경고용 도형 또는 이러한 도형이 깜빡거리는 영상을 출력한다거나, "좌우 불균형이 ??% 이상입니다" / "부상 위험성이 ??%입니다" 등과 같은 메시지를 출력하도록 이루어질 수도 있다. 또는 상기 경보부(130)가 열전소자로 구현되며 사용자의 피부에 직간접적으로 접촉된 형태로 이루어져, 부상 위험성이 기준 이상이면 차가워지거나 또는 뜨거워짐으로써 사용자에게 경보할 수도 있다. 다른 예시로서 사용자가 시각 장애인일 경우를 위해 상기 경보부(130)가 변경 가능한 점자 형태로서 촉각에 의해 인식되는 형태로 이루어질 수도 있다. 이와 같이 상기 경보부는, 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력할 수 있기만 하다면 그 어떠한 형태로 이루어져도 무방하다.
더불어 상기 좌우 불균형 평가 장치(100)는, 부상 위험성 경보 발생 시점 및 해당 시점에서의 좌우 불균형 판단지표 값을 포함하는 부상 위험성 데이터를 외부의 데이터베이스(140)에 전송하여 누적적으로 저장하도록 이루어질 수 있다. 이러한 보행 또는 주행 운동 분석을 필요로 하는 사용자는, 건강 촉진을 위해 매일 산책 또는 조깅을 수행하는 일반인이나, 또는 신체 능력 향상을 위해 훈련하는 전문가 등이 있을 수 있으며, 이러한 운동 분석 데이터가 누적되어 시간적인 변화를 볼 수 있도록 이루어지는 것이 당연히 바람직하다. 뿐만 아니라, 이처럼 운동 분석 데이터가 대량으로 누적 저장되면, 이러한 데이터가 빅데이터로서 활용되어 각종 통계나 분석에 사용될 수도 있는 등, 다양한 활용이 가능하다.
좌우 불균형 평가 방법
도 3은 본 발명의 좌우 불균형 평가 방법의 흐름도로서, 도 3을 통해 본 발명의 좌우 불균형 평가 방법을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 좌우 불균형 평가 방법은, 상술한 바와 같이 가속도 센서(111)를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부(110)를 이용하여 측정된 상하 방향 가속도(az)를 사용하여 좌우 불균형 판단지표를 도출하여 부상 위험성을 정량화한다. 이를 위하여 본 발명의 좌우 불균형 평가 방법은, 데이터 수집 단계, 운동 종류 판단 단계, 판단지표 도출 단계, 좌우 불균형 판단 단계, 부상 위험성 경보 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 더불어 좌우 불균형 판단지표 도출의 정확성을 높이기 위하여 노이즈 제거 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 3에 나타난 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 데이터 수집 단계에서는, 상기 센서 신호 수집부(110)에서 측정된 상하 방향 가속도(az)를 수집한다. 수집된 상하 방향 가속도(az)는 그대로 사용될 수도 있으나, 미리 결정된 밴드 패스 필터를 통과시켜 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계를 거치도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 이 때 상기 밴드 패스 필터는, 예를 들어 일반적인 사람의 보행 또는 주행 주파수에 해당하는 0.1 ~ 5 Hz로 형성될 수 있으나, 물론 이 범위는 적절하게 변경 결정될 수 있다.
상기 운동 종류 판단 단계에서는, 상하 방향 가속도(az) 그래프의 패턴으로부터 보행인지 또는 주행인지를 판단한다. 보행과 주행을 구분짓는 특징 중 하나는, 보행의 경우 한 발 또는 양 발이 항상 지면에 닿아 있는 반면, 주행의 경우 한 발 또는 양 발이 항상 지면으로부터 떠 있다는 것이다. 도 4는 보행 및 주행 시 시간에 대한 상하 방향 가속도 그래프 예시를 도시하고 있다. 도 4(A)에 도시된 보행 시 그래프의 경우 양 발이 모두 지면에 딛어지는 순간 피크가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 도 4(B)에 도시된 주행 시 그래프의 경우 양 발이 모두 지면으로부터 떠 있는 순간 상하 방향 가속도(az)가 최소값이 되는 상수값 구간이 존재함을 확인할 수 있다. 이처럼 보행 및 주행 시 각각의 경우 상하 방향 가속도(az) 그래프의 패턴이 서로 다르게 나타나는 것을 이용하여, 현재 이루어지고 있는 사용자의 운동이 보행인지 또는 주행인지를 판단할 수 있게 되는 것이다.
상기 판단지표 도출 단계에서는, 상하 방향 가속도(az)를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하게 된다. 이 때 상기 좌우 불균형 판단지표는, 운동 종류가 주행일 경우, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 상하 방향 가속도의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또는 상기 좌우 불균형 판단지표는, 운동 종류가 보행일 경우, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된, 1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도의 최소값 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 각각의 판단지표에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
상기 좌우 불균형 판단 단계에서는, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단한다. 좌우 불균형은 단일 걸음의 데이터만 가지고는 평가할 수 없고, 여러 걸음의 데이터를 사용하여 평가하여야만 한다. 본 발명에서는, 좌측 또는 우측 발 중 선택되는 어느 하나의 발이 지면에 착지하는 순간부터 다른 하나의 발이 지면에 착지하는 순간까지를 1걸음이라고 정의한다. 이 때 상하 방향 가속도(az) 데이터는 당연히 1걸음에 1주기씩의 주기적인 신호로 나타나게 된다. 앞서 설명하였듯이, 좌우 양측 발의 불균형 정도를 평가하는 것이 좌우 불균형 평가이다. 사람이 걸을 때는 반드시 좌 - 우 - 좌 - 우 - … 의 순서로 걷게 되므로, 좌우 불균형 평가를 위해서는 반드시 연속된 2걸음(좌 - 우 또는 우 - 좌)의 데이터가 필요하다.
이에 따라 본 발명의 상기 좌우 불균형 판단 단계에서는, 1걸음에 1주기씩의 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 적어도 2주기 이상의 데이터를 사용하여, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단함으로써 좌우 불균형 정도 정도를 평가하게 된다. 보다 구체적으로는, 적어도 1개의 연속된 2걸음에 대하여, 좌측 발에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표 및 우측 발에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표를 비교하여 산출된 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단함으로써 좌우 불균형 정도를 평가한다.
이와 같이 여러 다른 걸음들에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표에 대하여, 그 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지를 판단함으로써 좌우 불균형 정도를 평가하게 된다. 보다 구체적으로는, 상기 좌우 불균형 판단 단계는, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도를 판단함에 있어, 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차를 사용한다. 예시적으로 설명하자면, 어떤 사람이 지속적으로 달리고 있을 때, 상하 방향 가속도(az) 데이터를 이용해서 101번째 걸음(좌측 발), 102번째 걸음(우측 발), 103번째 걸음(좌측 발)에서 각각 상기 좌우 불균형 판단지표를 산출한다. 좌우 불균형 평가를 위해, 101번째 걸음(좌측 발)에서의 판단지표 값과 102번째 걸음(우측 발)에서의 판단지표 값을 비교한다. 이 때 상대표준편차가 예를 들어 5% 이상이 되면, [좌우 불균형 정도가 불량하다]라고 판단할 수 있다. 상기 좌우 불균형 판단 단계에서, 상기 좌우 불균형 판단지표가 미리 결정된 기준보다 작으면 경보를 발생하지 않고 다시 데이터 수집 단계로 되돌아가게 된다.
이 때 상기 좌우 불균형 판단지표가 상술한 바와 같이 복수 개가 될 수 있는데, 여러 판단지표들 중 어느 하나만 기준 이상일 때 경보를 발생시킬 수도 있고, 모두 기준 이상일 때 경보를 발생시킬 수도 있고, 또는 적절하게 우선순위를 두어 단계적으로 경보를 발생시킬 수도 있다. 또는 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차가 복수 개일 경우, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도를 판단함에 있어, 미리 결정된 가중치 및 상기 가중치에 해당하는 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차의 곱들의 합을 사용할 수도 있다. 즉 구체적으로 예를 들자면, 좌우 불균형 판단지표로서 제1지표, 제2지표, 제3지표 3개를 사용한다고 하고, 이 때 각각의 가중치가 제1가중치, 제2가중치, 제3가중치일 경우, 최종적으로 좌우 불균형 판단지표는 다음과 같은 식을 통해 구할 수 있다.
좌우 불균형 판단지표 = 제1가중치*제1지표 + 제2가중치*제2지표 + 제3가중치*제3지표
(이 때, 제1가중치 + 제2가중치 + 제3가중치 = 1)
위의 예시에서 더욱 구체적인 예를 들자면, 운동 상태가 주행일 때 제1지표는 상하 방향 가속도의 최대값, 제2지표는 스탠스 시간 동안의 충격량, 제3지표는 스탠스 시간으로 결정할 수 있다. 물론 이는 예시적인 것으로, 제1, 2, 3지표로서 앞서 예시한 여러 판단지표들 중 적절한 것이 변경 선택될 수 있음은 당연하다. 또한 상기 식 역시 예시적인 것으로서, 위의 식에서는 3개의 지표를 사용하는 것으로 기재되었으나, 2개의 지표를 사용하거나, 5개의 지표를 사용하는 등 사용자의 목적이나 필요에 따라 적절한 개수의 지표가 선택되어 사용될 수 있음 역시 당연하다.
상기 부상 위험성 경보 단계에서는, 상기 좌우 불균형 판단지표 중 적어도 하나가 각각 미리 결정된 기준보다 클 경우, 사용자에게 부상 위험성을 경보한다. 부상 위험성의 경보 형태는 앞서 설명한 바와 같이 음향, 도해, 영상 등 다양한 형태가 될 수 있으며, 사용자는 이처럼 경보를 받음으로써 능동적으로 부상 위험성을 줄이기 위한 대처(운동 종료, 자세 교정, 신발 교체, 코스 변경 등)를 함으로써 궁극적으로 부상 위험성을 크게 저감할 수 있다.
이하에서는 본 발명에서 사용되는 좌우 불균형 판단지표의 여러 예시와 각각을 도출하는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
앞서 보인 도 4, 즉 보행 및 주행 시 시간에 대한 상하 방향 가속도 그래프를 다시 참조하여, 보행과 주행을 구분하는 원리에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 4에 도시된 바와 같이 상하 방향 가속도(az)는 시간에 대하여 주기적인 형태로 나타난다(보행 또는 주행 자체가 주기적인 운동이므로 이는 당연한 것이다).
먼저 보행 운동을 풀어서 묘사하자면 다음과 같다. 먼저 한 쪽 발의 발뒤꿈치가 지면을 디디는 순간에 다른 쪽 발의 발끝도 지면에서 미처 떨어지지 않은 상태, 즉 양발이 지지되어 있는 상태로 시작한다. 이 상태에서, 한 쪽 발로만 지면을 지지하면서 다른 쪽 발이 지면으로부터 떨어지고, 이 다른 쪽 발이 허공을 저으면서 전방으로 진행하면서 사람의 몸체도 전방으로 이동하게 된다. 그리고 이 다른 쪽 발의 발뒤꿈치가 지면을 디디는 순간에 한 쪽 발의 발끝이 지면에서 미처 떨어지지 않은 상태, 즉 양발이 지지되어 있는 상태가 다시 이루어지면서 한 걸음의 보행이 이루어진다. 이 과정에서, 한 발로만 지지된 채 사람의 몸체가 전방으로 이동하고 있는 순간에는 사람의 머리가 상하 방향으로 크게 흔들리지 않는 반면(상하 방향 가속도(az)에서 로컬 미니멈이 형성됨), 발을 디디는 순간에 상하 방향으로 가장 크게 흔들리게 된다(상하 방향 가속도(az)에서 피크값이 형성됨).
즉 보행 운동은, 양발이 모두 지면을 딛고 있는 상태인 구간, 한 발만 지면을 딛고 있는 상태인 구간으로 나뉠 수 있으며, 한 발만 지면을 딛고 있는 상태인 중에 상하 방향으로의 흔들림이 가장 적다. 이러한 운동의 양상이 도 4(A)에 잘 나타나 있으며 이러한 예시에 나타나 있는 바와 같이, 사용자의 운동이 보행일 경우 시간 영역에서 측정된 상하 방향 가속도(az)에서 로컬 미니멈을 중간지지시점으로 정의한다. 또한 사용자의 운동이 보행일 경우 시간 영역에서 측정된 상하 방향 가속도(az)에서 피크값이 형성되는 구간을 양발지지구간으로 결정하며 나머지 구간을 한발지지구간으로 결정한다.
다음으로 주행 운동을 풀어서 묘사하자면 다음과 같다. 먼저 전방으로 나와 있는 한 쪽 발이 지면을 박차는 순간(이 순간 다른 쪽 발은 허공에 떠 있음)으로 시작한다. 이 상태에서, 한 쪽 발이 지면을 박차서 떠오르면서 양 발이 모두 허공에 떠 있는 상태인 채로 사람의 몸체가 전방으로 이동하며, 이와 함께 양 발이 허공을 저으면서 전후가 바뀌어 다른 쪽 발이 전방으로 나오게 된다. 전방으로 나온 다른 쪽 발이 지면에 닿음과 동시에 지면을 박차는 순간이 다시 이루어지면서 한 걸음의 주행이 이루어진다. 이 과정에서, 한 발로 지면을 박차는 순간에는 사람의 머리가 상하 방향으로 가장 크게 흔들리는 반면(상하 방향 가속도(az)에서 로컬 맥시멈이 형성됨), 공중에 뜬 채 나아가고 있는 상태에서는 상하 방향으로 거의 흔들리지 않게 된다(상하 방향 가속도(az)에서 상수값이 형성됨).
즉 주행 운동은, 양발이 모두 허공에 떠 있는 상태인 구간, 한 발만 지면을 딛고 있는 상태인 구간으로 나뉠 수 있으며, 양발이 모두 허공에 떠 있는 상태인 중에 상하 방향으로의 흔들림이 가장 적다. 이러한 운동의 양상이 도 4(B)에 잘 나타나 있으며 이러한 예시에 나타나 있는 바와 같이, 사용자의 운동이 주행일 경우 시간 영역에서 측정된 상하 방향 가속도(az)에서 로컬 맥시멈을 중간지지시점으로 정의한다. 또한 사용자의 운동이 주행일 경우 시간 영역에서 측정된 상하 방향 가속도(az)에서 상수값으로 나타나는 구간을 공중부유구간으로 결정하며 나머지 구간을 한발지지구간으로 결정한다. 여기에서 공중부유구간에서 나타나는 상수값은 가속도계가 중력 외에 다른 외력이 작용하지 않을 때의 신호 레벨 수준의 기설정된 값으로서, 대략 0에 가까운 값으로 적절히 결정될 수 있다. 즉 상기 상수값은 현재 스탠스를 판별할 수 있게 해 주는 기준값인 바 이러한 의미에서 스탠스 판별 상수(stance phase constant)라고 불릴 수 있으며, 요약하자면 주행 시에 상하 방향 가속도가 스탠스 판별 상수보다 작으면 공중부유구간, 크면 한발지지구간으로 판별하게 된다.
이러한 주행 운동에서, 어느 한쪽 발이 지면에 닿아 있는 시간을 스탠스(stance) 시간이라고 하고, 양쪽 발이 모두 공중에 떠 있는 시간을 플라이트(flight) 시간이라고 한다. 스탠스 시간 동안에는 상하 방향 가속도(az) 값이 0 이상의 다양한 값을 가지는 한편, 플라이트 시간 동안에는 상하 방향 가속도(az) 값이 0에 가까운 거의 상수값을 가지게 된다. 또한, 발이 지면을 박차는 순간 관절에 가장 많은 충격이 가해지게 되며, 이러한 충격은 상하 방향 가속도 그래프에서 첫 번째 피크(peak) 형태로 나타나게 되는데, 이 동안의 시간을 충격 시간이라고 한다.
주행 시 좌우 불균형 평가
본 발명에서는, 상기 좌우 불균형 판단지표로서, 운동 종류가 주행일 경우, 각 걸음들에서의 상하 방향 가속도(az)의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 적어도 하나를 선택하여 사용한다. 도 5는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프의 예시이며, 이하에서 각 지표에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 6은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 최대값을 표시한 도면이다. 상기 좌우 불균형 판단지표를 상하 방향 가속도의 최대값으로 선택할 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 각 주기에서의 상하 방향 가속도(az)의 최대값들을 획득하고, 이들을 비교함으로써 좌우 불균형을 평가할 수 있다.
도 7은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 스탠스 시간 동안의 충격량을 표시한 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이 스탠스 시간은 어느 한쪽 발이 지면에 닿아 있는 시간으로, 즉 발이 지면에 착지하는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지를 스탠스 시간이라 할 수 있다. 도 7과 같은 시간 및 상하 방향 가속도 그래프에서, 충격량은 하기와 같은 식을 사용하여 산출될 수 있다.
Figure 112017076828058-pat00006
(여기에서, az : 상하 방향 가속도, m : 사용자 질량)
상기 좌우 불균형 판단지표를 스탠스 시간 동안의 충격량으로 선택할 경우, 적분 범위를 스탠스 시간의 처음/끝으로 설정하여 각 주기에서의 스탠스 시간 동안의 충격량을 산출할 수 있다. (도 7 상에서 짙은 색으로 표시된 면적 부분의 값이 바로 스탠스 시간 동안의 충격량 값이다.)
도 8은 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 스탠스 시간 및 플라이트 시간을 표시한 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이 스탠스 시간은 어느 한쪽 발이 지면에 닿아 있는 시간으로, 즉 발이 지면에 착지하는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지를 스탠스 시간이라 할 수 있다. 또한 플라이트 시간은 양쪽 발이 모두 공중에 떠 있는 시간으로, 즉 발이 지면에서 떨어지는 순간부터 발이 지면에 착지하는 순간까지를 플라이트 시간이라 할 수 있다. 스탠스 시간 동안에는 상하 방향 가속도(az) 값이 0 이상의 다양한 값을 가지는 한편, 플라이트 시간 동안에는 상하 방향 가속도(az) 값이 0에 가까운 거의 상수값을 가지게 되며, 도 8에는 이러한 스탠스 시간 및 플라이트 시간이 잘 나타나 있다.
이러한 스탠스 시간 또는 플라이트 시간이 균일하게 유지된다면 그 보행은 균일하게 이루어진다고 할 수 있다. 따라서 상기 좌우 불균형 판단지표로서 스탠스 시간을 선택하거나, 또는 상기 좌우 불균형 판단지표로서 플라이트 시간을 선택할 수 있다.
도 9는 주행 시 상하 방향 가속도 그래프에 기울기를 표시한 도면으로서, 이를 통해 상하 방향 가속도(az)의 평균 기울기 및 최대 기울기를 도출하는 과정을 설명한다. 평균 기울기 및 최대 기울기는 각각 평균 수직 부하율(average vertical loading rate) 및 최대 수직 부하율(instantaneous vertical loading rate)을 산출하는 데 사용된다.
먼저 상기 좌우 불균형 판단지표를 충격 시간 동안의 평균 수직 부하율 값으로 선택할 경우, 충격 시간 동안의 평균 수직 부하율은 사용자 질량 및 충격 시간 동안의 평균 기울기의 곱으로서 산출되며, 충격 시간 동안의 평균 기울기 값은 하기의 식을 사용하여 산출된다.
Figure 112017076828058-pat00007
Figure 112017076828058-pat00008
(여기에서, az : 상하 방향 가속도, mean : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, ti : i번째 시간, ti-1 : i-1번째 시간, tc : 충격 시작 시간, tm : 충격 끝 시간)
충격 시작 시간이란, 실제적으로는 발이 지면에 착지하는 순간을 의미한다. 이는 상하 방향 가속도(az)가 0 이하의 값에서 0 근처의 소정의 기준값(예 : 0.3 m/s2)을 상향 돌파하는 시점으로 결정할 수 있다. 여기에서 충격 시작 시간을 결정하는 기준값의 구체적인 값은, 상술한 예와 같이 0.5m/s2 이하의 값 중에서 적절하게 결정될 수 있다. 충격 끝 시간은 첫 번째 피크 값이 나타나는 시각으로, 그래프 상에서 직관적으로도 쉽게 확인할 수 있다. 인덱스 i는, 충격 시작 시간부터 충격 끝 시간까지의 시간을 n으로 나누어 디지타이즈화한 시간들의 인덱스로서, n은 필요에 따라 적절하게 결정하면 된다.
평균 기울기 값은 바로 이렇게, 충격 시작 시간에서 충격 끝 시간까지를 n등분하였을 때 각각의 간격에서 구해진 n개의 기울기 값들의 평균값이다. 도 9은 어느 한 주기에서의 상하 방향 가속도(az) 그래프를 도시하고 있는데, 이러한 한 주기에서 상술한 바와 같은 평균 기울기 값을 구할 수 있다. 한편, 도 5에 보이는 바와 같이 주행 중에는 도 9와 같은 형태의 그래프가 계속 반복되며, 상술한 바와 같은 평균 기울기 값은 각 주기마다(즉 각 걸음마다) 구해질 수 있다.
한편 상기 좌우 불균형 판단지표를 충격 시간 동안의 최대 수직 부하율 값으로 선택할 경우, 충격 시간 동안의 최대 수직 부하율은 사용자 질량 및 충격 시간 동안의 최대 기울기의 곱으로서 산출되며, 충격 시간 동안의 최대 기울기 값은 하기의 식을 사용하여 산출된다.
Figure 112017076828058-pat00009
Figure 112017076828058-pat00010
(여기에서, az : 상하 방향 가속도, max : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, ti : i번째 시간, ti-1 : i-1번째 시간, tc : 충격 시작 시간, tm : 충격 끝 시간)
상기 최대 기울기는, 평균 기울기에 대한 설명에서 기술한 바와 같이 어떤 한 주기(한 걸음)에서의 충격 시작 시간~충격 끝 시간까지 사이에서 구해진 n개의 기울기 값들 중 최대값이다. 평균 기울기 값과 마찬가지로, 이러한 최대 기울기 값은 각 주기마다(즉 각 걸음마다) 구해질 수 있다.
보행 시 좌우 불균형 평가
본 발명에서는, 상기 좌우 불균형 판단지표로서, 운동 종류가 보행일 경우, 1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도(az)의 최소값 중 적어도 하나를 선택하여 사용한다. 도 10은 보행 시 상하 방향 가속도 그래프의 예시이며, 이하에서 각 지표에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 좌우 불균형 판단지표를 1걸음 시간 길이로 선택할 경우, 도 10에 도시된 바와 같은 보행 시 상하 방향 가속도(az) 그래프에서 1주기의 시간 길이를 1걸음 시간 길이로 결정할 수 있다. 바람직하게는, 도 10에 표시되어 있는 바와 같이, 보행 시 상하 방향 가속도(az) 그래프에서 로컬 맥시멈 값들이 나타나는 시간들 간의 간격을 1걸음 시간 길이로 결정할 수 있다.
상기 좌우 불균형 판단지표를 상하 방향 가속도(az)의 최소값으로 선택할 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 각 주기에서의 상하 방향 가속도(az)의 최소값들을 획득하고, 이들을 비교함으로써 좌우 불균형을 평가할 수 있다. 이 때 보행 시에는 앞서 설명하였던 바와 같이 상하 방향 가속도(az)의 최소값 즉 로컬 미니멈 값이 나타나는 시점은 중간지지시점으로서, 물리적으로는 한 발로만 지지된 채 사람의 몸체가 전방으로 이동하고 있는 순간이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 좌우 불균형 평가 장치
110: 센서 신호 수집부
111: 가속도 센서 112: 통신부
110H: 머리측 센서 신호 수집부
111H: 머리측 가속도 센서 112H: 머리측 통신부
110W: 허리측 센서 신호 수집부
111W: 허리측 가속도 센서 112W: 허리측 통신부
120: 제어부 130: 경보부
140: 데이터베이스

Claims (20)

  1. 가속도 센서를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 센서 신호 수집부를 이용한 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법에 있어서,
    상기 센서 신호 수집부에서 측정된 상하 방향 가속도를 수집하는 데이터 수집 단계;
    상하 방향 가속도 그래프의 패턴으로부터 보행인지 또는 주행인지를 판단하는 운동 종류 판단 단계;
    상하 방향 가속도를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하는 판단지표 도출 단계;
    좌측 또는 우측 발 중 선택되는 어느 하나의 발이 지면에 착지하는 순간부터 다른 하나의 발이 지면에 착지하는 순간까지를 1걸음이라 할 때,
    1걸음에 1주기씩의 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 적어도 2주기 이상의 데이터를 사용하여, 상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단함으로써 좌우 불균형 정도를 평가하는 좌우 불균형 판단 단계;
    상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도 중 적어도 하나가 각각 미리 결정된 기준보다 클 경우, 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 부상 위험성 경보 단계;
    를 포함하며,
    상기 좌우 불균형 판단 단계는,
    상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도를 판단함에 있어, 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차를 사용하되,
    상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차가 복수 개일 경우,
    상기 좌우 불균형 판단지표의 변동 정도를 판단함에 있어, 미리 결정된 가중치 및 상기 가중치에 해당하는 상기 좌우 불균형 판단지표의 상대표준편차의 곱들의 합을 사용하는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단 단계는,
    적어도 1개의 연속된 2걸음에 대하여, 좌측 발에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표 및 우측 발에서 산출된 상기 좌우 불균형 판단지표를 비교하여 산출된 변동 정도가 미리 결정된 기준보다 큰지 판단함으로써 좌우 불균형 정도를 평가하는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    운동 종류가 주행일 경우,
    주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된,
    상하 방향 가속도의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    상하 방향 가속도의 최대값인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    발이 지면에 착지하는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지를 스탠스 시간이라 할 때,
    스탠스 시간 동안의 충격량으로서, 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
    Figure 112017076828058-pat00011

    (여기에서, az : 상하 방향 가속도, m : 사용자 질량)
  8. 제 5항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    발이 지면에 착지하는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지를 스탠스 시간이라 할 때,
    스탠스 시간인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    발이 지면에서 떨어지는 순간부터 발이 지면에 착지하는 순간까지를 플라이트 시간이라 할 때,
    플라이트 시간인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    충격 시간 동안의 평균 수직 부하율로서,
    충격 시간 동안의 평균 수직 부하율은 사용자 질량 및 충격 시간 동안의 평균 기울기의 곱으로서 산출되며,
    충격 시간 동안의 평균 기울기 값은 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
    Figure 112017076828058-pat00012

    Figure 112017076828058-pat00013

    (여기에서, az : 상하 방향 가속도, mean : 평균값 산출 함수, i : 인덱스 번호, ti : i번째 시간, ti-1 : i-1번째 시간, tc : 충격 시작 시간, tm : 충격 끝 시간)
  11. 제 5항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    충격 시간 동안의 최대 수직 부하율로서,
    충격 시간 동안의 최대 수직 부하율은 사용자 질량 및 충격 시간 동안의 최대 기울기의 곱으로서 산출되며,
    충격 시간 동안의 최대 기울기 값은 하기의 식을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
    Figure 112017076828058-pat00014

    Figure 112017076828058-pat00015

    (여기에서, az : 상하 방향 가속도, max : 최대값 산출 함수, i : 인덱스 번호, ti : i번째 시간, ti-1 : i-1번째 시간, tc : 충격 시작 시간, tm : 충격 끝 시간)
  12. 제 1항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    운동 종류가 보행일 경우,
    주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된,
    1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도의 최소값 중 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    1걸음 시간 길이인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 좌우 불균형 판단지표는,
    상하 방향 가속도의 최소값인 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 좌우 불균형 평가 방법은,
    상기 판단지표 도출 단계 이전에,
    상하 방향 가속도를 미리 결정된 밴드 패스 필터를 통과시켜 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법.
  16. 제 1항에 의한 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 방법을 사용하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치에 있어서,
    상기 가속도 센서를 포함하여 이루어지며 사용자의 팔을 제외한 상체에 착용되는 적어도 하나의 상기 센서 신호 수집부;
    상기 센서 신호 수집부로부터 신호를 전달받아, 상하 방향 가속도를 기반으로 산출되는 적어도 하나의 좌우 불균형 판단지표를 도출하고, 상기 좌우 불균형 판단지표를 사용하여 경보 발생 여부를 판단 및 제어하는 제어부;
    상기 제어부로부터 경보 발생 제어 신호를 받아 사용자에게 부상 위험성을 경보하는 경보부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제어부는,
    운동 종류가 주행일 경우,
    상기 좌우 불균형 판단지표로서, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된,
    상하 방향 가속도의 최대값, 스탠스 시간 동안의 충격량, 스탠스 시간, 플라이트 시간, 평균 수직 부하율, 최대 수직 부하율 중 선택되는 적어도 하나를 도출하는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 제어부는,
    운동 종류가 보행일 경우,
    상기 좌우 불균형 판단지표로서, 주기적인 신호로 나타나는 상하 방향 가속도 데이터에 대하여 1주기 동안의 데이터를 사용하여 산출된,
    1걸음 시간 길이, 상하 방향 가속도의 최소값 중 선택되는 적어도 하나를 도출하는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 경보부는,
    음향, 도해, 영상을 포함하는 사용자가 인식 가능한 정보로서 경보 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 좌우 불균형 평가 장치는,
    부상 위험성 경보 발생 시점 및 해당 시점에서의 좌우 불균형 판단지표 값을 포함하는 부상 위험성 데이터를 외부의 데이터베이스에 전송하여 누적적으로 저장하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 및 보행 시 좌우 불균형 평가 장치.
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